摘要：為滿足小河嘴煤礦排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制及用電管理的需求，設(shè)計(jì)并建設(shè)一套礦井主排水監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了基于PLC控制器監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理。從主要設(shè)備構(gòu)成、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法流程等方面詳細(xì)分析了主排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)中需要注意的問題，以及基本原則。對(duì)需求中出現(xiàn)的用電避峰填谷問題進(jìn)行了深入分析，提供了解決方案并加以實(shí)施。

　　關(guān)鍵詞：主排水監(jiān)控系統(tǒng);水泵房監(jiān)測(cè);PLC;自動(dòng)控制;用電避峰填谷

　　礦山開采中，一般均需建設(shè)排水系統(tǒng)處理地下涌水。通過在不同水平工作面設(shè)置的泵站，將水倉(cāng)中收集的水排放至地面的水池或排水渠。傳統(tǒng)的泵站采用各種機(jī)械表對(duì)泵站的管路系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由人工進(jìn)行水倉(cāng)液位的觀察，對(duì)不同液位執(zhí)行泵的灌引水、開啟、關(guān)閉等工藝流程，人力成本高。隨著礦山生產(chǎn)技術(shù)的提高，自動(dòng)化技術(shù)在生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用，通過增加傳感器、控制器等設(shè)備，可以對(duì)傳統(tǒng)的泵站進(jìn)行自動(dòng)化改造，對(duì)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約人力成本。

　　利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以對(duì)泵站的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行完善的監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)，便于技術(shù)人員對(duì)泵站的運(yùn)行情況、涌水情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，從而對(duì)生產(chǎn)狀況有更完善的掌握，從而做出各種決策：如合理分配設(shè)備運(yùn)行、檢修時(shí)間等，能夠減小泵站運(yùn)行維護(hù)時(shí)間,降低人力成本，減少泵站運(yùn)行維護(hù)的總體成本，帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。

　　1系統(tǒng)原理及主要設(shè)備構(gòu)成

　　小河嘴煤礦位于四川省達(dá)州市，中央水泵房有3臺(tái)水泵，2條出水管路，1個(gè)水倉(cāng)。在地面出口有排水渠，在地面山頂有千噸水池。

　　1.1系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為核心，配合不同的傳感器，對(duì)整個(gè)中央水泵房的各種參數(shù)如水倉(cāng)液位、出水管壓力、出水管流量、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、真空泵及真空管路狀態(tài)等等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各工況參數(shù)進(jìn)入PLC中進(jìn)行綜合分析、處理，按相應(yīng)工藝流程將邏輯運(yùn)算的結(jié)果輸出至電動(dòng)閥門及高壓開關(guān)，控制相應(yīng)的管路切換、泵的啟停，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的工作目的。

　　1.2系統(tǒng)的構(gòu)成

　　主排水監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備分為3個(gè)部分：1)調(diào)度室部分。設(shè)置工控機(jī)，部署組態(tài)軟件，作為地面監(jiān)控核心，負(fù)責(zé)與地面千噸水池PLC、井下中央水泵房PLC進(jìn)行通信，采集相應(yīng)的工況參數(shù)，同時(shí)提供人機(jī)界面，供調(diào)度員進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程操控。2)千噸水池部分。設(shè)置PLC采集箱及在水池中設(shè)置安裝液位傳感器、浮球開關(guān)傳感器，對(duì)水池液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)PLC采集箱進(jìn)行采集，處理，傳輸至井下PLC控制箱中進(jìn)行統(tǒng)一處理。3)井下中央水泵房部分。設(shè)置隔爆PLC控制箱作為主控制器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)所有工況參數(shù)，進(jìn)行邏輯算法處理，然后通過繼電器觸點(diǎn)輸出，控制各閥門控制器、隔爆開關(guān)，切換相應(yīng)管路，完成泵的啟停等工作;在出水管路上，設(shè)置電動(dòng)閥門，以實(shí)現(xiàn)管路的自動(dòng)切換;設(shè)置真空管路及水環(huán)泵，在泵啟動(dòng)之前進(jìn)行灌引水工作;在泵的進(jìn)水口及出水口設(shè)置負(fù)壓傳感器、正壓傳感器，對(duì)泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè);水環(huán)泵及水泵的電機(jī)進(jìn)線安裝開停傳感器檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài);設(shè)置1臺(tái)本安操作臺(tái)，通過其上的文本顯示器顯示當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行工況參數(shù)，同時(shí)提供操作按鈕;設(shè)置隔爆網(wǎng)絡(luò)攝像儀對(duì)整個(gè)水泵房進(jìn)行圖像采集工作，圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)入交換機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理。

　　1.3系統(tǒng)的功能

　　1)監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位、流量、壓力、真空度、溫度、閘閥狀態(tài)等一系列參數(shù)。2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及打印功能，具有歷史記錄查詢功能。3)保護(hù)功能。①超溫保護(hù):當(dāng)水泵電動(dòng)機(jī)軸承溫度或定子溫度超出預(yù)設(shè)的允許值時(shí)，系統(tǒng)通過溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，報(bào)警停機(jī)[5-7];②運(yùn)行失壓保護(hù):當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，依據(jù)水泵出口的壓力以及管路流量傳感器的監(jiān)測(cè)，對(duì)水泵的失壓狀態(tài)進(jìn)行判別，及時(shí)有效的進(jìn)行報(bào)警并停車操作，避免產(chǎn)生因水泵空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的設(shè)備故障。

　　4)具有故障類型和地址識(shí)別功能，系統(tǒng)對(duì)傳感器故障、閥門故障、運(yùn)行工況參數(shù)異常等故障進(jìn)行分類，并進(jìn)行識(shí)別，使用漢字及語(yǔ)音提示故障信號(hào)以及故障位置信息，便于系統(tǒng)故障排查及維護(hù)。5)控制功能。①控制級(jí)別分為就地、就地集中和遠(yuǎn)程集中控制，其優(yōu)先級(jí)別為就地最高、其次就地集中控制，再次遠(yuǎn)程集中控制;②實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)3種操作方式，并智能實(shí)現(xiàn)工作、備用和檢修3種工作方式;③對(duì)水泵電機(jī)的開停、真空泵電機(jī)的開停、各電動(dòng)閘閥的開關(guān)、各電磁閥的開關(guān)控制;④系統(tǒng)根據(jù)水位和水泵連續(xù)工作時(shí)間控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，均衡分配水泵運(yùn)行時(shí)間。

　　6)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井涌水量，自動(dòng)投入和退出水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，合理地調(diào)度水泵運(yùn)行。7)避峰填谷功能。系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷以及礦方所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電時(shí)間段，以“避峰填谷”原則確定開、停水泵時(shí)間，從而合理地利用電網(wǎng)電力，提高礦井的電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

　　2系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)

　　2.1避峰填谷

　　本系統(tǒng)中的避峰填谷模式以水倉(cāng)液位為基礎(chǔ)，設(shè)置了4條位置線：最高限，次高限，次低限和最低限。其中最高限是水倉(cāng)的最高水位，一旦水位達(dá)到此位置，必須無(wú)條件啟動(dòng)水泵，以保障礦井的安全生產(chǎn)。最低限是水泵排水管的低水位余量，一旦液位達(dá)到最低限，必須停止水泵的運(yùn)行，否則抽水管容易進(jìn)氣，導(dǎo)致水泵發(fā)生掉水現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞。最高限和最低限依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)定。次高限和次低限由水倉(cāng)水位變化的歷史數(shù)據(jù)分析而定。

　　避峰填谷的核心思想就是在用電高峰時(shí)段，在保障安全生產(chǎn)前提下，盡量縮短泵的運(yùn)行時(shí)間;在用電谷底時(shí)間，盡量延長(zhǎng)泵的運(yùn)行時(shí)間，盡量讓水倉(cāng)保持在低液位。當(dāng)主排水系統(tǒng)工作于用電高峰時(shí)段，在水倉(cāng)液位達(dá)到最高限時(shí)，才啟動(dòng)水泵。隨著水倉(cāng)液位的下降，當(dāng)達(dá)到次低限時(shí)，即關(guān)閉水泵。讓水倉(cāng)液位盡可能保持在一個(gè)較高的水平;當(dāng)主排水系統(tǒng)工作于用電谷底時(shí)段，當(dāng)水倉(cāng)液位達(dá)到次高限時(shí)，即啟動(dòng)水泵。一直排水，直到水倉(cāng)液位下降至最低限時(shí)，才關(guān)閉水泵。

　　另外，在水泵已經(jīng)啟動(dòng)的情況下，如果涌水量增加，導(dǎo)致在一定時(shí)間內(nèi)水位不降或上漲，則增加啟動(dòng)泵的臺(tái)數(shù)。在用電高峰時(shí)段，盡量單泵運(yùn)行，直到水位繼續(xù)維持上限，才繼續(xù)啟動(dòng)1臺(tái)水泵;在用電波谷時(shí)段，則不受此限制，會(huì)繼續(xù)啟動(dòng)水泵。當(dāng)已有2臺(tái)泵運(yùn)行，液位出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)時(shí)，則關(guān)閉1臺(tái)泵。

　　2.2數(shù)據(jù)流向

　　因?yàn)樗�泵房監(jiān)測(cè)參數(shù)較多，而防爆PLC監(jiān)控箱的容量有限，因此在水泵房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)防爆PLC控制箱，用于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。地面千噸水池位于地面山坡，距離井下位置較遠(yuǎn)，同時(shí)又是非防爆設(shè)備，因此數(shù)據(jù)流向上，將處于調(diào)度室的上位工控機(jī)作為千噸水池和水泵房的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心，由調(diào)度室工控機(jī)與千噸水池的PLC箱進(jìn)行通信，獲取液位信息后，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入水泵房的PLC監(jiān)控箱中。

　　水泵房的PLC監(jiān)控箱采用主從站結(jié)構(gòu)，由主站作為主控，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與邏輯運(yùn)算，從站中只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與控制狀態(tài)輸出[8-10]。主從站之間使用通訊電纜連接，進(jìn)行西門子的PROFIBUS通信以進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。其中，工控機(jī)上的組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)讀取千噸水池監(jiān)測(cè)PLC的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)寫入水泵房的防爆PLC主站的數(shù)據(jù)區(qū)中，進(jìn)行處理;隔爆PLC監(jiān)控主站開辟數(shù)據(jù)區(qū)2，用于與PLC從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。西門子PLC的開發(fā)環(huán)境中提供了2條命令，可以直接用于PROFIBUS的主從站通訊，其中NETR命令用于讀取從站中的數(shù)據(jù)，NETW命令用于將主站的控制數(shù)據(jù)寫入從站。

　　2.3調(diào)試

　　系統(tǒng)各硬件安裝完畢，分別檢驗(yàn)其功能。PLC核心控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，按流程圖將不同功能細(xì)分為模塊，針對(duì)具體功能模塊進(jìn)行細(xì)化開發(fā)，模塊間使用相應(yīng)的接口參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終進(jìn)行整合。這樣可以簡(jiǎn)化程序開發(fā)環(huán)節(jié)，程序開發(fā)直觀、簡(jiǎn)明，調(diào)試亦方便。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　依據(jù)小河嘴煤礦主排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，以及對(duì)應(yīng)的需求，進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，制定出較為合理的整體解決方案并且對(duì)方案中的架構(gòu)、數(shù)據(jù)流向進(jìn)行了詳細(xì)探索。實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)過了長(zhǎng)期應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的有效監(jiān)控，有效減輕了人員工作量，提高了煤礦生產(chǎn)效率。

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　　煤礦工程師論文范文：煤礦現(xiàn)代化機(jī)電技術(shù)管理創(chuàng)新

　　摘要：伴隨著社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展，一系列現(xiàn)代科技誕生。高科技應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)不僅提高了工作效率，而且實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化管理，提高了管理水平。以煤炭企業(yè)為例，引進(jìn)現(xiàn)代化的機(jī)電技術(shù)進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。但是，任何事物都是在發(fā)展中不斷創(chuàng)新的，機(jī)電技術(shù)為了適應(yīng)煤炭生產(chǎn)中設(shè)備的多樣化需求，其種類不斷增加。